JP2009281769A

JP2009281769A - せん断弾性率測定装置

Info

Publication number: JP2009281769A
Application number: JP2008131915A
Authority: JP
Inventors: Wataru Otsu; 亘大津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率の測定を、膜電極接合体に荷重が加えられた状態で行う技術を提供する。
【解決手段】せん断弾性率測定装置は、膜電極接合体を、膜電極接合体の表面に対して垂直方向に加わる荷重を調節可能に支持する支持部と、支持された膜電極接合体の一方の面から、この面に対して水平方向に、周期的に変化するせん断力を付与するせん断力付与装置と、せん断力が付与された膜電極接合体の他方の面から得られる力を検出するロードセルと、ロードセルによって検出された力と、膜電極接合体の他方の面の表面積と、膜電極接合体の厚さと、せん断力の振幅とに基づいて、膜電極接合体のせん断弾性率を算出する算出部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率を測定する測定装置に関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、発電体として、電解質膜の表面に触媒層とガス拡散層とを接合した膜電極接合体が用いられる。そして、従来、この膜電極接合体の特性を評価するための種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２）。膜電極接合体の特性の評価項目の１つとしては、せん断弾性率が挙げられる。

特開２００４−１４３３１号公報特開２００７−１３４２１４号公報

ところで、一般に、燃料電池は、複数の膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層することによって、燃料電池スタックとして構成される。そして、この燃料電池スタックにおいて、複数の膜電極接合体、および、セパレータは、これらの積層方向に所定の荷重が加えられた状態で締結される。このため、膜電極接合体のせん断弾性率の測定は、膜電極接合体に上記荷重が加えられた状態で行われることが求められる。

しかし、上記特許文献に記載された技術では、膜電極接合体に上記荷重が加えられた状態で膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率の測定を、膜電極接合体に上記荷重が加えられた状態で行う技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率を測定するせん断弾性率測定装置であって、前記膜電極接合体を、該膜電極接合体の表面に対して垂直方向に加わる荷重を調節可能に支持する支持部と、前記支持された膜電極接合体の一方の面から、該面に対して水平方向に、周期的に変化するせん断力を付与するせん断力付与装置と、前記支持された膜電極接合体の他方の面から得られる力を検出するロードセルと、前記ロードセルによって検出された力と、前記膜電極接合体の他方の面の表面積と、前記膜電極接合体の厚さと、前記せん断力の振幅とに基づいて、前記膜電極接合体のせん断弾性率を算出する算出部と、を備えるせん断弾性率測定装置。

適用例１のせん断弾性率測定装置によって、燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率の測定を、膜電極接合体に上記荷重が加えられた状態で行うことができる。この結果、膜電極接合体の改良を促進することができる。なお、燃料電池に備えられた膜電極接合体では、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって生成水が生成されるため、上記せん断力付与装置が膜電極接合体に対して付与するせん断力の振幅、および、周波数は、発電時の湿潤・乾燥による膜電極接合体の膨張・収縮を考慮して設定される。また、膜電極接合体のせん断弾性率Ｇは、せん断応力をせん断ひずみで除したものであり、以下に示す式によって求められる。

Ｇ＝（Ｆ／Ａ）／（ｄ／Ｌ）＝（Ｆ・Ｌ）／（Ａ・ｄ）；
Ｆ：膜電極接合体に対してせん断力の付与方向に作用する力；
Ａ：膜電極接合体の表面積；
ｄ：膜電極接合体の厚さ；
Ｌ：振幅

［適用例２］適用例１記載のせん断弾性率測定装置であって、前記せん断力の振幅は、前記膜電極接合体の前記せん断力の付与方向の長さの０．１〜５（％）の値であり、前記せん断力の周波数は、０．０１〜１０（Ｈｚ）である、せん断弾性率測定装置。

膜電極接合体は、発電時に、湿潤・乾燥によって、その寸法が０．１〜５（％）ほど変動し、その変動周波数は、０．０１〜１０（Ｈｚ）程度であることが多い。したがって、適用例２のせん断弾性率想定装置によって、発電環境下における膜電極接合体のせん断弾性率を、精度よく測定することができる。

［適用例３］適用例１または２記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、前記支持された膜電極接合体の厚さを検出する検出部を備える、せん断弾性率測定装置。

適用例３のせん断弾性率測定装置によって、上記支持部に支持された膜電極接合体の厚さを自動検出し、膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、前記支持された膜電極接合体を加湿するための加湿器を備える、せん断弾性率測定装置。

適用例４のせん断弾性率測定装置によって、発電環境下における湿潤状態の膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

［適用例５］適用例１ないし４のいずれかに記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、前記支持された膜電極接合体を加熱するための加熱器を備える、せん断弾性率測定装置。

適用例５のせん断弾性率測定装置によって、発電環境下における高温の膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としてのせん断弾性率測定装置１００の概略構成を示す説明図である。このせん断弾性率測定装置１００は、燃料電池スタックに用いられる膜電極接合体のせん断弾性率を測定するための装置である。図示するように、本実施例のせん断弾性率測定装置１００は、加振装置１０と、加振装置１０に接続された加振部材１２と、ロードセル２０と、加振部材１２との間に膜電極接合体を挟持する上側支持部材２１Ｕおよび下側支持部材２１Ｄと、上側支持部材２１Ｕおよび２１Ｄの端部を固定する固定部材２２と、固定部材２２およびロードセル２０に接続された応力伝達部材２３と、加振部材１２と上側支持部材２１Ｕおよび下側支持部材２１Ｄとによって挟持された膜電極接合体の厚さを検出する検出部３０と、せん断弾性率を算出する算出部４０と、を備えている。

このせん断弾性率測定装置１００において、２枚の膜電極接合体は、加振部材１２の上面と下面とにそれぞれ設置され、上側支持部材２１Ｕおよび下側支持部材２１Ｄによって、膜電極接合体の表面に対して垂直方向に所定の荷重が加えられた状態で挟持される。このときの荷重は、任意に設定可能であるが、本実施例では、膜電極接合体が燃料電池スタックに適用されて締結されたときに、膜電極接合体に加えられる荷重と同じ荷重であるものとした。そして、上側支持部材２１Ｕ、および、下側支持部材２１Ｄは、例えば、ボルト等によって、固定部材２２に固定される。なお、本実施例において、膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に触媒層、および、ガス拡散層を接合したものであり、加振部材１２の上面、および、下面と、電解質膜の表面とが接触するように設置される。加振部材１２、上側支持部材２１Ｕ、下側支持部材２１Ｄ、固定部材２２は、本発明における支持部に相当する。

加振装置１０は、所定の振幅、および、周波数で、加振部材１２を加振し、膜電極接合体の、例えば、電解質膜側の面から、膜電極接合体の表面に対して水平方向にせん断力を付与する。加振の振幅、および、周波数は、任意に設定可能であるが、本実施例では、加振の振幅を、膜電極接合体のせん断力の付与方向の長さの０．１〜５（％）の値とし、加振の周波数を、０．０１〜１０（Ｈｚ）とした。膜電極接合体は、燃料電池スタックにおける発電時に、湿潤・乾燥によって、その寸法が０．１〜５（％）ほど変動し、その変動周波数は、０．０１〜１０（Ｈｚ）程度であることが多いからである。加振装置１０、および、加振部材１２は、本発明におけるせん断力付与装置に相当する。

ロードセル２０は、加振装置１０によって、膜電極接合体にせん断力が付与されたときに、膜電極接合体の、例えば、ガス拡散層側の面から得られる力Fを、上側支持部材２１Ｕ、下側支持部材２１Ｄ、固定部材２２、応力伝達部材２３を介して検出する。

検出部３０は、例えば、上側支持部材２１Ｕと下側支持部材２１Ｄとの距離Ｄと、加振部材１２の厚さｄ１との差を２で割ることによって、加振部材１２と上側支持部材２１Ｕおよび下側支持部材２１Ｄとによって挟持された膜電極接合体の厚さｄを検出する。

算出部４０は、ロードセル２０によって検出された力Ｆと、膜電極接合体の表面積Ａと、膜電極接合体の厚さｄと、加振装置１０による加振の振幅Ｌとに基づいて、膜電極接合体のせん断弾性率Ｇを算出する。なお、膜電極接合体のせん断弾性率Ｇは、せん断応力をせん断ひずみで除したものであり、以下に示す式によって求められる。

Ｇ＝（Ｆ／Ａ）／（２・ｄ／Ｌ）＝（Ｆ・Ｌ）／（２・Ａ・ｄ）

以上説明した本実施例のせん断弾性率測定装置１００によれば、燃料電池スタックに用いられる膜電極接合体のせん断弾性率の測定を、膜電極接合体が燃料電池スタックに適用されて締結されたときの荷重が膜電極接合体に加えられた状態で行うことができる。さらに、せん断弾性率測定装置１００において、加振装置１０による加振の振幅、および、周波数を、発電環境下における膜電極接合体の寸法の変動量、および、変動周波数と同等としたので、発電環境下における膜電極接合体のせん断弾性率を、精度よく測定することができる。この結果、膜電極接合体の改良を促進することができる。

Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、せん断弾性率測定装置１００は、検出部３０を備えるものとしたが、検出部３０を省略するようにしてもよい。この場合、膜電極接合体の厚さを測定者が測定し、算出部４０に手入力するようにすればよい。ただし、上記実施例のせん断弾性率測定装置１００によれば、膜電極接合体の厚さを自動検出し、膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例のせん断弾性率測定装置１００に、さらに、膜電極接合体を加湿するための加湿器を備えるようにしてもよい。こうすることによって、発電環境下における湿潤状態の膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例のせん断弾性率測定装置１００に、さらに、膜電極接合体を加熱するための加熱器を備えるようにしてもよい。こうすることによって、発電環境下における高温の膜電極接合体のせん断弾性率を測定することができる。

本発明の一実施例としてのせん断弾性率測定装置１００の概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１００…せん断弾性率測定装置
１０…加振装置
１２…加振部材
２０…ロードセル
２１Ｄ…下側支持部材
２１Ｕ…上側支持部材
２２…固定部材
２３…応力伝達部材
３０…検出部
４０…算出部

Claims

燃料電池に用いられる膜電極接合体のせん断弾性率を測定するせん断弾性率測定装置であって、
前記膜電極接合体を、該膜電極接合体の表面に対して垂直方向に加わる荷重を調節可能に支持する支持部と、
前記支持された膜電極接合体の一方の面から、該面に対して水平方向に、周期的に変化するせん断力を付与するせん断力付与装置と、
前記せん断力が付与された膜電極接合体の他方の面から得られる力を検出するロードセルと、
前記ロードセルによって検出された力と、前記膜電極接合体の他方の面の表面積と、前記膜電極接合体の厚さと、前記せん断力の振幅とに基づいて、前記膜電極接合体のせん断弾性率を算出する算出部と、
を備えるせん断弾性率測定装置。
請求項１記載のせん断弾性率測定装置であって、
前記せん断力の振幅は、前記膜電極接合体の前記せん断力の付与方向の長さの０．１〜５（％）の値であり、
前記せん断力の周波数は、０．０１〜１０（Ｈｚ）である、
せん断弾性率測定装置。
請求項１または２記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、
前記支持された膜電極接合体の厚さを検出する検出部を備える、
せん断弾性率測定装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、
前記支持された膜電極接合体を加湿するための加湿器を備える、
せん断弾性率測定装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載のせん断弾性率測定装置であって、さらに、
前記支持された膜電極接合体を加熱するための加熱器を備える、
せん断弾性率測定装置。